《Advanced Science》耐磨的智能超疏水纖毛！

受自然界中的纖毛啟發(fā)，智能柔性表面——一種布滿了受外場（例如磁場）控制的柔性纖毛表面——受到了越來越多的關(guān)注。優(yōu)于傳統(tǒng)表面，智能柔性表面在外部刺激下，纖毛的形貌能被實時控制，從而調(diào)控表面性質(zhì)。這一特性使它在微流控、微型機(jī)器人、智能織物、自清潔和防/除冰等領(lǐng)域有廣闊的潛在應(yīng)用前景。然而纖毛的柔性和高長徑比，使其易被機(jī)械沖擊或刮擦損壞，導(dǎo)致現(xiàn)有的柔性纖毛陣列并不適用于真實的工作環(huán)境。為了讓智能柔性纖毛表面走向廣泛應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化，亟需開發(fā)一款能承受外部沖擊和耐磨的智能纖毛表面。

近日，廣東以色列理工學(xué)院機(jī)械系姜又華副教授團(tuán)隊成功研發(fā)出一款“耐磨的智能超疏水纖毛表面”。本工作創(chuàng)新性地把柔軟的纖毛表面與堅固的“井字形”金屬框架相結(jié)合，讓纖毛水平排布在金屬框架的側(cè)壁上。當(dāng)表面受到外力傷害時，表面處于保護(hù)模式，這時金屬框架高于纖毛，為纖毛提供了有效的保護(hù)。即使受到了高強(qiáng)度的磨損，金屬框架受到損害，上層的纖毛隨框架頂端一同被損耗，下層的纖毛依然能夠保持結(jié)構(gòu)完好和功能正常（圖1）。當(dāng)表面進(jìn)入工作模式，對表面施加一個磁場，水平排布的纖毛將從框架中伸出，進(jìn)而控制表面上的液滴行為。該研究克服了柔性智能表面不耐用的缺點，率先設(shè)計并制備出了耐磨的柔性智能表面，為柔性智能表面產(chǎn)業(yè)化邁出了長遠(yuǎn)的一步。

圖1. 耐磨智能纖毛陣列的設(shè)計思路。

該表面展現(xiàn)出了卓越的耐磨性（圖2）。相較于傳統(tǒng)柔性智能表面在一個較低的法向載荷（4 N）下“一磨就壞”，該耐磨的柔性智能表面能在較高的法向載荷（20 N）下反復(fù)磨損，直至金屬框架的高度減少20%，仍然能保持較好的超疏水性和實現(xiàn)液滴定向傳輸和操控的功能。

圖2. 耐磨智能纖毛陣列的磨損測試及磨損后的功能測試。

該表面的自清潔功能使得其對灰塵有很好的抗性（圖3）。當(dāng)表面上積聚了一層灰塵后，通過磁場控制纖毛擺動、氣流吹拂、或水流沖洗，表面的灰塵可被輕易去除。之后，表面仍然展現(xiàn)出良好的超疏水性和主動操控物體的功能。

圖3. 耐磨智能纖毛陣列的抗灰塵測試。

在耐酸堿的性能方面（圖4），該表面能夠在pH值為2的酸性溶液中，或pH值為12的堿性溶液中浸泡24小時，依舊保持良好的超疏水性和液滴操控能力。在pH值為0的酸性溶液中浸泡24小時后，纖毛中的鐵粉會被酸性溶液完全反應(yīng)，這時纖毛變得透明并失去磁響應(yīng)性，但超疏水涂層未被損壞，液滴撞擊表面仍能保持較低的接觸時間，超疏水性良好。在pH值為14的堿性溶液中浸泡24小時候，表面失去超疏水性，但由于堿性溶液不與鐵粉發(fā)生反應(yīng)，纖毛仍然具有磁響應(yīng)性，可以對固體小球進(jìn)行操控。

圖4. 耐磨智能纖毛陣列的抗酸堿性測試。

該表面還能實時調(diào)節(jié)液滴的黏附力（圖5），通過改變纖毛的傾斜方向，改變液滴在纖毛上特定運(yùn)動方向的運(yùn)動特征，進(jìn)而調(diào)控液滴在特定方向上的黏附力，最終使液滴在振動中定向移動。

圖5. 基于液滴粘附力的表面表征。

在液滴撞擊動態(tài)方面（圖6），耐磨的智能纖毛陣列依舊展現(xiàn)出對液滴接觸時間的強(qiáng)大的調(diào)控能力。用20uL液滴從6 cm的高度釋放撞擊框架寬度w=0.5 mm的耐磨的智能纖毛陣列，當(dāng)纖毛處于自然狀態(tài)（水平）時，液滴的接觸時間約為18.2 ms；當(dāng)用磁場控制纖毛直立（垂直）時，液滴的接觸時間驟降為8 ms，接觸時間降低了超過50%。這是由于直立的纖毛間隙能使一部分液滴動能轉(zhuǎn)化為毛細(xì)能，在液滴上跳的過程中，這一部分毛細(xì)勢能得到釋放，轉(zhuǎn)化為液滴上跳的動能，使液滴在收縮前快速離開表面，展現(xiàn)出了餅狀彈跳的特性，使接觸時間大幅降低。

圖6. 基于液滴撞擊動力學(xué)的表面表征。